溫鑫鑫 丁海蛟 張英霞 馬翔宇 劉鵬 王天勝

解放軍第四六三醫(yī)院骨科，遼寧 沈陽 110041

雙能X線吸收儀(dual X-ray absorptiometry，DXA)測量骨密度(bone mineral density，BMD)是目前國際上公認的診斷骨質(zhì)疏松癥的方法，根據(jù)WHO制定的骨密度數(shù)值參考標準，約有50%的BMD數(shù)值正常的絕經(jīng)后婦女仍存在發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折的風(fēng)險[1]，這一現(xiàn)象提示，單純的測量BMD并不能反映和準確評估骨折風(fēng)險。骨強度除了受到骨量的影響，還受骨骼解剖形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)以及骨基質(zhì)材料屬性的影響，在評估骨折風(fēng)險時，這些因素都不可忽略。

復(fù)雜的復(fù)合材料按照一定的層級結(jié)構(gòu)組成骨組織。從生物化學(xué)角度來看，骨組織由膠原纖維編織，羥基磷灰石結(jié)晶充填其中而組成。膠原的90%為I型膠原，羥基磷灰石等骨礦鹽晶體決定了骨組織具有堅硬的強度，而膠原決定了骨組織具有一定的韌性[2,3]。骨組織受力時，其屈服前的彈性線性應(yīng)變主要受羥基磷灰石等骨礦鹽晶體的影響，而達到屈服應(yīng)變后的非線性應(yīng)變主要受膠原基質(zhì)的影響。影響膠原完整性的一些干擾手段，如高溫、福爾馬林固定等導(dǎo)致膠原變性，都會導(dǎo)致骨組織韌性下降[4]，由此可見骨膠原對骨強度具有不容忽視的影響。研究骨膠原屬性的改變?nèi)绾斡绊懝菑姸龋瑢τ陉U明骨強度降低機制、預(yù)防骨質(zhì)疏松癥等具有重要意義。

1 骨膠原的組成與結(jié)構(gòu)

I型膠原是骨組織中的主要膠原成分，其占骨膠原的比例高達95%，占骨組織中總蛋白的比例為80%～90%，其他類型膠原如III型和V型膠原，在骨組織中含量較低，且其主要作用是輔助調(diào)節(jié)I型膠原的纖維直徑[5]。骨膠原的分子結(jié)構(gòu)具有明顯的層級性，最初始的組成為三條多肽鏈通過轉(zhuǎn)錄后修飾和二硫鍵形成三螺旋膠原蛋白分子，被酶水解切割后露出N端和C端，之后這些斷端可以自發(fā)進行組配，在轉(zhuǎn)錄后修飾的作用下進一步穩(wěn)定，形成膠原纖維束，在酶促和非酶促反應(yīng)的作用下，纖維束可形成分子間交聯(lián)和纖維之間交聯(lián)[6]。羥基磷灰石晶體填充在這些膠原纖維束之間，以提供骨組織的硬度[7]。

2 膠原分子結(jié)構(gòu)對骨強度影響

骨膠原中占比最高的I型膠原，其分子結(jié)構(gòu)是由2條α-1鏈和1條α-2鏈組成的異源三聚體。另一類膠原分子的結(jié)構(gòu)為3條相同的α-1鏈組成的同源三聚體，由于缺少了α-2鏈，其對骨強度是否存在影響，引起了研究者的興趣[8]。骨性關(guān)節(jié)炎患者其軟骨下骨中存在著大量的同源三聚體的I型膠原[9]。攜帶有COL1A1基因Sp1轉(zhuǎn)錄因子變異個體，I型膠原中同源三聚體的比例可達10%～15%，這種高同源三聚體比例的個體，其骨骼強度顯著降低，且這種骨強度降低的現(xiàn)象是獨立于BMD之外的[10]。I型膠原分子結(jié)構(gòu)的改變，可能導(dǎo)致骨組織力學(xué)強度降低。為了進一步驗證膠原分子結(jié)構(gòu)對骨強度的影響，Miller等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在I型膠原發(fā)生突變(α-1鏈取代了α-2鏈，導(dǎo)致異源三聚體轉(zhuǎn)變?yōu)橥慈垠w)的小鼠(OIM小鼠)中，其骨骼強度顯著下降。在分子水平，McBride等[12]發(fā)現(xiàn)，α-2鏈對于維持膠原分子三重螺旋的穩(wěn)定性至關(guān)重要。Miles等[13]利用差示掃描量熱法進一步研究發(fā)現(xiàn)，同源三聚體的I型膠原分子其膠原分子之間距離增大，因而導(dǎo)致膠原分子之間交聯(lián)度下降，這可能是其導(dǎo)致骨強度下降的原因。近幾年，隨著分子動力學(xué)研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)同源三聚體形式的I型膠原因其分子扭轉(zhuǎn)角度更大，導(dǎo)致其硬度低于異源三聚體[14]。

膠原分子C端的異構(gòu)化反映與骨強度相關(guān)。Garnero等[15]利用胎兒時期的牛作為研究對象發(fā)現(xiàn)，膠原分子C端的異構(gòu)化反應(yīng)程度高低與骨組織屈服、垂直壓縮的力學(xué)強度之間成正比。Viguet-Carrin等[16]在人椎體中發(fā)現(xiàn)了類似的研究結(jié)果，膠原分子C端的異構(gòu)化反應(yīng)程度較低時，其骨組織垂直壓縮強度也顯著降低。這種異構(gòu)化引起的單純構(gòu)象變化可能并不會影響膠原分子的力學(xué)屬性，但是可將該項信息作為反映骨膠原力學(xué)性能的一項指標。

3 膠原纖維排布走向?qū)菑姸鹊挠绊?/h2>

膠原纖維在骨組織中的排布走向會對骨強度產(chǎn)生顯著影響。Goldman等[17]利用偏振光顯微鏡研究了尸體標本的股骨發(fā)現(xiàn)，骨組織內(nèi)的膠原排布走向在不同年齡組之間具有顯著差異。Martin等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在皮質(zhì)骨內(nèi)，當縱行排布的膠原纖維比例較高時，即膠原纖維排布方向與骨組織主要受力載荷方向相同時，其骨組織強度顯著提高。Ramasamya等[19]在其研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，小鼠股骨皮質(zhì)骨前部區(qū)域縱向排布膠原比例要高于后部區(qū)域，相應(yīng)的前部骨組織力學(xué)強度也高于后部。骨質(zhì)疏松癥會導(dǎo)致骨膠原纖維的排布走向發(fā)生改變，Silva等[20]利用老年骨質(zhì)疏松小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，在老年骨質(zhì)疏松小鼠體內(nèi)，其骨組織主應(yīng)力方向上的膠原纖維比例顯著低于對照組。在椎體松質(zhì)骨中進行的研究也表明，膠原纖維的走向?qū)菑姸染哂酗@著影響。Puustjarvi等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在長期奔跑訓(xùn)練的狗的椎體內(nèi)，其骨密度顯著下降，而椎體骨強度保持不變，通過利用偏振光顯微鏡研究松質(zhì)骨，在椎體縱向上骨膠原纖維排布與對照組相比，奔跑實驗組其縱向膠原纖維比例增高，膠原分子之間的酶促交聯(lián)沒有顯著差異，由此研究者認為，骨膠原纖維在主應(yīng)力方向上的重新分布維持了椎體的骨強度。

4 膠原分子交聯(lián)對骨強度的影響

膠原分子間交聯(lián)反應(yīng)作為重要的膠原分子轉(zhuǎn)錄后修飾，其保證了膠原纖維基質(zhì)具有一定的延展性和粘彈性，對骨強度具有顯著影響。在骨組織發(fā)育過程中，膠原分子末端的賴氨酸在細胞外基質(zhì)酶賴氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槿┵嚢彼醄22]。醛賴氨酸與臨近膠原分子中的螺旋(羥基)賴氨酸反應(yīng)形成不成熟的二價交聯(lián)，即二羥基賴正己氨酸(DHLNL)和羥基賴正己氨酸(HLNL)。這些二價交聯(lián)中的一部分進一步成熟，形成三價交聯(lián)，即吡啶啉和吡咯類。此外，還有另一種非酶促交聯(lián)反應(yīng)，高級糖化終末產(chǎn)物交聯(lián)(advanced glycation endproduct， AGE)，也可形成交聯(lián)膠原[23]。

膠原分子的交聯(lián)程度對骨強度由顯著影響。Knott等[24]研究發(fā)現(xiàn)，膠原分子之間的交聯(lián)程度與骨骼屈服極限應(yīng)力之間具有顯著的相關(guān)性。在年輕個體中，因為缺乏維生素B6或缺乏銅離子導(dǎo)致的賴氨酰氧化酶(lysyl oxidase,LOX)活性下降，而LOX作為膠原分子酶促交聯(lián)反應(yīng)的重要蛋白酶，進而導(dǎo)致膠原交聯(lián)程度下降，最終導(dǎo)致骨強度顯著降低[24]。Oxlund等[25]利用β-氨基丙腈處理大鼠后發(fā)現(xiàn)，骨組織中吡啶啉交聯(lián)下降了45%，骨組織的屈服強度和硬度相應(yīng)下降了20%～30%。

5 膠原屬性與骨質(zhì)疏松癥所致骨強度降低之間的關(guān)系

早在1978年，Sanada等[26]就提出，女性絕經(jīng)后的雌激素撤退會通過降低LOX活性而影響到骨組織中I型膠原的屬性，導(dǎo)致骨強度降低。Acerbo等[27]利用去勢大鼠研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松癥大鼠骨組織內(nèi)膠原的排布走向發(fā)生了明顯變化。Knott等[24]進一步利用動物試驗研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松癥可導(dǎo)致賴氨酸羥基化增加，進而導(dǎo)致吡咯類化合物之間的交聯(lián)降低，最終導(dǎo)致骨強度降低。該結(jié)果在人體標本中得到了進一步證實，Paschalis等[28]利用傅立葉紅外分光成像技術(shù)對比了骨質(zhì)疏松患者和正常人的髂骨活檢標本發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松組和正常組的膠原交聯(lián)情況存在顯著差異。Kowitz等[29]利用從骨質(zhì)疏松性骨折患者體內(nèi)獲得的股骨頭標本研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松患者骨組織內(nèi)膠原分子的賴氨酸殘基過度羥基化、羥賴氨酸的過度糖基化會導(dǎo)致膠原纖維束直徑顯著降低，進而影響到膠原纖維與礦物質(zhì)晶體之間的結(jié)合，最終導(dǎo)致骨強度的降低。Willett等[30]提出，絕經(jīng)后的雌激素撤退會導(dǎo)致膠原晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation endproducts，AGEs)的增加，AGEs一方面通過和AGEs受體結(jié)合，產(chǎn)生信號通路效應(yīng)導(dǎo)致骨重塑的紊亂；另一方面，AGEs與骨組織材料屬性的改變相關(guān)。氧化應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致AGEs增多，抑制正常的酶促膠原交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致膠原結(jié)構(gòu)破壞，進而降低骨強度，這也是抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)可以增強骨強度的原因之一。

6 膠原屬性與II型糖尿病所致骨強度降低之間的關(guān)系

II型糖尿病患者其骨強度顯著降低，發(fā)生骨折風(fēng)險更高，但是患者的骨密度數(shù)值往往正常甚至高于一般人群的平均值，諸多研究表明，是骨組織中膠原屬性的改變導(dǎo)致II型糖尿病患者發(fā)生骨折的風(fēng)險更高[31]。為了闡明II型糖尿病如何影響膠原屬性，進而影響骨強度，Tang等[32]將從新鮮尸體標本中獲得的松質(zhì)骨標本在糖溶液中培養(yǎng)，通過構(gòu)建和機體內(nèi)溫度、pH相同的環(huán)境來模擬糖尿病患者的骨組織，之后生物力學(xué)試驗發(fā)現(xiàn)，高糖溶液培養(yǎng)會使松質(zhì)骨中的非酶促糖基化反應(yīng)增加，進而導(dǎo)致松質(zhì)骨的屈服后非線性應(yīng)變吸收能量的能力顯著下降。然而，體外高糖溶液培養(yǎng)骨組織與真實的體內(nèi)糖尿病體液環(huán)境差距較大，為了進一步闡明膠原屬性與II型糖尿病所致骨強度降低之間的關(guān)系，Satio等[23]利用糖尿病大鼠模型進行了相關(guān)研究，研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病大鼠骨組織內(nèi)，其酶促交聯(lián)反應(yīng)顯著低于對照組，而膠原中的戊糖素含量顯著增加，導(dǎo)致糖尿病大鼠的骨強度發(fā)生顯著降低。

7 結(jié)論與展望

骨組織作為一種復(fù)合生物材料，膠原是其最重要的有機成分之一，其屬性的改變會顯著的影響到骨組織的強度。膠原屬性如何影響骨強度，這一機制還有待相關(guān)研究進一步深入展開。未來的研究應(yīng)主要集中于研究膠原分子合成后的修飾改變，同時應(yīng)該觀察研究骨組織重塑過程中膠原屬性如何變化。探索可以反映膠原改變的體外非侵入性生化代謝指標，可以為預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥提供重要參考。